使用氧化石墨烯、碳纳米管等纳米材料降低水泥混凝土的吸水率和氯离子渗透

近日，在Materials Today杂志上发表的一篇论文中，科研人员对比分析了使用纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、氧化石墨烯、碳纳米管、纳米TiO₂、纳米Fe₂O₃、纳米粘土/偏高岭土和纳米CaCO₃等纳米材料对水泥混凝土透水性和氯化物渗透的影响，研究结果显示了在具有必要建筑材料质量的水泥混凝土中使用纳米材料的可能性。

背景介绍

水泥混凝土的生产速度为每年250-300亿吨，占人类温室气体排放总量的8-9%。混凝土中最昂贵的成分是粘合剂“水泥”，全世界每年生产约50-60亿吨水泥，相当于人均使用一吨水泥。

减少硅酸盐水泥的使用可以成功地帮助减少温室气体排放。碳纳米管（CNT）、纳米SiO₂（nS）、纳米Al₂O₃（NA）、氧化石墨烯（GO）、纳米TiO₂（NT）、纳米粘土（NC）、纳米ZnO₂（NZ）和纳米Fe₂O₃（NF）均可用于改善混凝土的机械和稳定性。

纳米颗粒是尺寸范围在1到100纳米之间的材料。纳米颗粒在水泥-混凝土复合材料中的集成最近受到了广泛关注。将纳米颗粒作为粘合剂的部分替代物或水泥混凝土中的填充材料会影响纳米级的流变行为和形态，从而显著提高水泥基材料的机械和耐久性。

测试结果

对比结果显示，纳米SiO₂在减少混凝土吸水率方面特别有效。使用2%纳米SiO₂和3%纳米SiO₂使得混凝土吸水率分别降低了58%和36.84%。这种改善是由于其对主要水化过程的加速影响，从而导致基质致密化。

与其他纳米颗粒相比，使用超过4%的纳米TiO₂会导致混凝土性能恶化。根据最近的研究，暴露168小时后，对照组和含4wt%纳米TiO₂混凝土的吸水率分别为5.12%和4.22%。

纳米SiO₂可以优化混凝土的多孔结构，降低其氯离子电导率。添加0.3 wt%的纳米SiO₂则显著降低了氯的迁移和扩散系数，这种减少是由于纳米SiO₂能够部分阻断传输通道，从而将它们分离开来。结果还显示，nS浓度的任何额外增加都会导致聚集，而不会进一步增强对氯离子通道的敏感性。

加入0.05-0.1%的碳纳米管可以将氯化物扩散系数降低12%。这种下降不受所用碳纳米管种类的影响。然而，纯碳纳米管在阻止所有研究的碳纳米管扩散方面最有效。

主要结论

据观察，加入纳米材料对吸水和氯化物渗透非常有效。添加了少量纳米二氧化硅，可将吸水率降低一半以上。碳纳米管在0.08wt%时，吸水率降低了35.8%。0.8wt%的氧化石墨烯则几乎将其减半。通过使用更小的纳米碳酸钙，吸水率降低了三分之二。

小浓度的纳米二氧化硅使氯化物迁移减少到了其先前值的四分之一，而微量的氧化石墨烯百分比使氯化物渗透深度减少了一半，碳纳米管使氯化物扩散系数降低了13%。

参考来源：A.Abdalla, J., Thomas, B. S., A.Hawileha, R., & Kabeer, K. A. (2022). Influence of nanomaterials on the water absorption and chloride penetration of cement-based concrete. Materials Today. Available at: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.427